二氧化碳填料吸收与解吸试验

1、氧化碳填料吸收与解吸实验装置说明书天津大学化工基础实验中心2013. 06、实验目的1. 了解填料吸收塔的结构、性能和特点，练习并掌握填料塔操作方法；通过实 验测定数据的处理分析，加深对填料塔流体力学性能基本理论的理解， 加深对填料 塔传质性能理论的理解。2. 掌握填料吸收塔传质能力和传质效率的测定方法，练习对实验数据的处理 分析。二、实验内容1. 测定填料层压强降与操作气速的关系，确定在一定液体喷淋量下的液泛 气速。2. 固定液相流量和入塔混合气二氧化碳的浓度，在液泛速度下，取两个相 差较大的气相流量，分别测量塔的传质能力（传质单元数和回收率）和传质效率（传质单元高度和体积吸收总系数）。3.

2、 进行纯水吸收二氧化碳、空气解吸水中二氧化碳的操作练习，同时测定 填料塔液侧传质膜系数和总传质系数。三、实验原理：气体通过填料层的压强降：压强降是塔设计中的重要参数， 气体通过填料层 压强降的大小决定了塔的动力消耗。 压强降与气、液流量均有关，不同液体喷淋 量下填料层的压强降厶P与气速u的关系如图一所示：图一填料层的Pu关系当液体喷淋量L。=0时，干填料的 Pu的关系是直线，如图中的直线0。当有 一定的喷淋量时，APu的关系变成折线，并存在两个转折点，下转折点称为“载点”，上转折点称为“泛点”。这两个转折点将APu关系分为三个区段： 既恒持液量区、载液区及液泛区。传质性能：吸收系数是决定吸收过

3、程速率高低的重要参数， 实验测定可获取 吸收系数。对于相同的物系及一定的设备(填料类型与尺寸) ，吸收系数随着操 作条件及气液接触状况的不同而变化。1. 二氧化碳吸收-解吸实验根据双膜模型的基本假设，气侧和液侧的吸收质A的传质速率方程可分别表 达为气膜Ga 二 kg A( PaPAi)(1)液膜Ga = k| A(CAi - Ca)(2)式中：GaA组分的传质速率，kmoI sj ;a 两相接触面积，m；Pa 气侧A组分的平均分压，Pa；PAi 相界面上A组分的平均分压，Pa；CA 液侧A组分的平均浓度，kmol m 3CAi 相界面上A组分的浓度kmol mkg 以分压表达推动力的气侧传质膜

4、系数，kmol m sJ Pa J ;k| 以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，m sJ。以气相分压或以液相浓度表示传质过程推动力的相际传质速率方程又可分别表达为：Ga 二 KgA(Pa - Pa)(3)Ga 二 KlA(Ca-Ca)(4)式中：pA 液相中A组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa；Ca 气相中A组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，kmol m ；Kg 以气相分压表示推动力的总传质系数或简称为气相传质总系数，kmol m s J Pa ；Kl-以气相分压表示推动力的总传质系数，或简称为液相传质总系数，m sJ。若气液相平衡关系遵循享利定律： CA二HpA，则:Kg kg

5、 HKi(5)(6)1 H 1 K?k；CPA+d PaP1=Pa1C A1， FlA+dCA图二双膜模型的浓度分布图图三填料塔的物料衡算图当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程式受气膜传质速率控制， 此 时，Kg =kg ；反之，当液膜阻力远大于气膜阻力时，则相际传质过程受液膜传 质速率控制，此时，Kl = kl 0如图三所示，在逆流接触的填料层内，任意载取一微分段，并以此为衡算系 统，则由吸收质A的物料衡算可得：dGA FdCA(7a)：'L式中：Fl 液相摩尔流率，kmol s4 ;液相摩尔密度，kmol m。(7b)根据传质速率基本方程式，可写出该微分段的传质速率微分方程:

6、dGA 二 Kl(Ca OaSdhFl联立上两式可得：dh = ZudCA(8)式中：a 气液两相接触的比表面积,2 -1m m ；16s填料塔的横载面积，m。本实验采用水吸收纯二氧化碳，且已知二氧化碳在常温常压下溶解度较小,因此，液相摩尔流率Fl和摩尔密度 几的比值，亦即液相体积流率（Vs）l可视为定 值，且设总传质系数Kl和两相接触比表面积a，在整个填料层内为一定值，则按F列边值条件积分式（8），可得填料层高度的计算公式:h =0 Ca=CA.2h=h Ca=Ca1VsLh 一 KLaS “Cai dCAA2 Ca - Ca(9)HlVsLKLaS，且称HL为液相传质单元高度（HTU；Nl

7、Ca2c：CCa，且称”为液相传质单元数（NTU。CA1(10)9）为可用解析KLaSNl HlCai CA2 ： C AmVsLKs(11)(因此，填料层高度为传质单元高度与传质单元数之乘积，即h=HL Nl若气液平衡关系遵循享利定律，即平衡曲线为直线，则式（ 法解得填料层高度的计算式，亦即可采用下列平均推动力法计算填料层的高度或 液相传质单元高度：式中虫CA.m为液相平均推动力，即C Am(CA1 - C A1 ) - (CA2 - C A2)In 也Ca.i-C A2InCA1 'CA1CA2 'CA2(13)其中：CA1 hHPa! Hy! Po,(14)式中：水的密度

8、,kg m"Ca2 二 HPa2 二 Hy2 Po , Po 为大气压。氧化碳的溶解度常数:P 131H wkoml m PaMw EM w水的摩尔质量，kg kmol J ；E 二氧化碳在水中的享利系数（见化工原理下册第78页），Pa。因本实验采用的物系不仅遵循亨利定律， 而且气膜阻力可以不计，在此情况 下，整个传质过程阻力都集中于液膜，即属液膜控制过程，则液侧体积传质膜系 数等于液相体积传质总系数，亦即(15)砒=心4=乞CA1hS 5四、实验装置:1. 实验装置主要技术参数：填料塔：玻璃管内径 D = 0.050m 塔高1.50m 内装© 10X 10mm瓷拉西环；

9、填料层高度 Z= 1.20m；Z=1.00m ; 风机：XGB-12型 550W;二氧化碳钢瓶2;减压阀2个（用户自备）。流量测量仪表：CO转子流量计型号LZB-6 流量范围0.060.6m3/h; 空气转子流量计：型号LZB-10流量范围0.252.5m3/h;水转子流量计： 型号LZB-10流量范围16160 L/h;解吸收塔水转子流量计：型号 LZB-6流量范围660 L / h浓度测量：吸收塔塔底液体浓度分析准备定量化学分析仪器（用户自备） ； 温度测量：PT100铂电阻，用于测定测气相、液相温度。2. 二氧化碳吸收与解吸实验装置流程示意图（见图四）图四二氧化碳吸收与解吸实验装置流程示

10、意图I- C02流量计；2- CO2瓶减压阀；3- CO2钢瓶；4-吸收用空气流量计；5-吸收 用气泵；6、8-喷头；7、19-水箱放水阀；9-解吸塔；10-解吸塔塔底取样阀；II- 解吸液储槽；12、15- U型管液柱压强计；13-吸收液流量计；14-解吸液液 泵；16-吸收液储槽；17-吸收塔；18-吸收塔塔底取样阀；20-解吸液流量计；21-吸收液液泵；22-空气流量计；23-空气旁通阀；24-风机3实验仪表面板图（见图五）液相温度（°C）FViaSBBISVIB88EJI® ©气相温度严。pv|BB9Bgviaose® ©凤相解吸水吸收

11、水气泵 开关泵开关泵开关开关 O O O QO O总屯源开关图五实验装置面板图五、实验方法及步骤：1. 测量吸收塔干填料层（ P/Z）u关系曲线（只做解吸塔）：打开空气旁路调节阀5至全开，启动风机。打开空气流量计，逐渐关小阀门 5的开度，调节进塔的空气流量。稳定后读取填料层压降P即U形管液柱压差计11的数值，然后改变空气流量，空气流量从小到大共测定8-10组数据。在对 实验数据进行分析处理后，在对数坐标纸上以空塔气速u为横坐标，单位高度的压降 P/Z为纵坐标，标绘干填料层（ P/Z）u关系曲线。2. 测量吸收塔在喷淋量下填料层（ P/Z）u关系曲线：将水流量固定在100L/ h （水流量大小可

12、因设备调整），米用上面相同步骤 调节空气流量，稳定后分别读取并记录填料层压降厶P、转子流量计读数和流量计处所显示的空气温度，操作中随时注意观察塔内现象， 一旦出现液泛，立即记 下对应空气转子流量计读数。根据实验数据在对数坐标纸上标出液体喷淋量为 100L/ h时的（ P/ z ）u?关系曲线（见图2A ），并在图上确定液泛气速，与 观察到的液泛气速相比较是否吻合。3. 二氧化碳吸收传质系数测定：吸收塔与解吸塔（水流量控制在40L/h ）（1）打开阀门5,关闭阀门9、13。(2) 启动吸收液泵2将水经水流量计14计量后打入吸收塔中，然后打开二氧 化碳钢瓶顶上的针阀20，向吸收塔内通入二氧化碳气体

13、(二氧化碳气体流量计 15的阀门要全开)，流量大小由流量计读出，控制在 0.1m3/h左右。(3) 吸收进行15分钟后，启动解吸泵2,将吸收液经解吸流量计7计量后打 入解吸塔中，同时启动风机，利用阀门 5调节空气流量(约0.25 m3 / h)对解 吸塔中的吸收液进行解吸。(4) 操作达到稳定状态之后，测量塔底的水温，同时取样，测定两塔塔顶、 塔底溶液中二氧化碳的含量。(实验时注意吸收塔水流量计和解吸塔水流量计数 值要一致，并注意解吸水箱中的液位，两个流量计要及时调节，以保证实验时操 作条件不变)(5) 二氧化碳含量测定用移液管吸取0.1M的Ba (OH 2溶液10mL放入三角瓶中，并从塔底附

14、设 的取样口处接收塔底溶液10 mL，用胶塞塞好振荡。溶液中加入 23滴酚酞指 示剂摇匀，用0.1M的盐酸滴定到粉红色消失即为终点。按下式计算得出溶液中二氧化碳浓度：2CBa(OH )2VBa(OH )2 CHCl VHCl二CCO2mol L2V溶液六、实验注意事项：1. 开启CO总阀门前，要先关闭减压阀，阀门开度不宜过大。2. 实验中要注意保持吸收塔水流量计和解吸塔水流量计数值一致，并随时关注水箱中的液位。3. 分析CO浓度操作时动作要迅速，以免CO从液体中溢出导致结果不准确。七、实验数据记录及处理：1 实验数据计算及结果(以实验中所取得数据的第二组数据为例)：(1)填料塔流体力学性能测定

15、(以解吸填料塔干填料数据为例)转子流量计读数0.5m3/h ;填料层压降U管读数4.0 mmHOV0.5门“空塔气速：u2 _ 0.07 (m/s)3600 (二 /4)D2 3600 (二 /4) 0.0502()单位填料层压降 F Z =4/0.80=5.0 (mmHO/m在对数坐标纸上以空塔气速u为横坐标，PZ为纵坐标作图，标绘 PZu 关系曲线(2)传质实验(以设备吸收塔的传质实验为例)吸收液消耗盐酸体积Vi=15.6 ml，则吸收液浓度为：2CBa(OH)2VBa(OH)2 ChCIVhCIC ai2 V溶液=2 汉 0.0972 汇 10 0.108 汇 15.6= 2 20=0.

16、00648kmol/m因纯水中含有少量的二氧化碳，所以纯水滴定消耗盐酸体积V=17.9ml，则塔顶水中CO浓度为:2CBa(OH)2VBa(OH)2 ChC|VhCICA2 二2V溶液2 0.0972 10 -0.108 17.92疋20=0.00027mol/L塔底液温度t =25 C查得CO亨利系数：E=1.66 x 105 kPa则CO的溶解度常数为：h w丄=1000Mw E 1811.66 108=3.35 x 10-7 kmol m" Pa-1塔顶和塔底的平衡浓度为：CA1 = HpA1 = Hy1 p071 204J1 204=3.35 x 10 X 101325X (

17、0.3 x/ 0.3 x+0.7) =0.87 mol/LV 1.85V 1.85Ca2 二 HpA2 二 Hy2 p0=0.81 mol/L液相平均推动力为-Ca1 CA2AmIn£A2.:CA1(c A2 _CA2 )-(C A1 CA1)_ CA1 CA2* *, C A2 C A2, C A2 C A2In A27 A2In A27 A2CA1 _CA1CA1 _CA1=0.0139kmol/m0.00648 -0.00027,0.0081 0.00027In0.0087 0.00648因本实验采用的物系不仅遵循亨利定律， 而且气膜阻力可以不计，在此情况 下，整个传质过程阻力

18、都集中于液膜，属液膜控制过程，则液侧体积传质膜系数 等于液相体积传质总系数，即3 乂hSCai'Ca2-C Am4010,/3600(0.00648-0.00027) n nnyin /=0.0049 m/s0.80 3.14 (0.050)2 /40.0139实验结果列表如下：二氧化碳在水中的亨利系数(见表一)干填料时厶P/zu关系测定湿填料时厶P/zu关系测定填料吸收塔传质实验技术数据PZu关系曲线表一 二氧化碳在水中的亨利系数EX 10-5，kPa气体温度，c0510152025303540455060CO20.7380.8881.051.241.441.661.882.122.362.602.873.46表二实验装置填料塔流体力学性能测定(干填料)L=0填料层高度Z=0.78m塔径D=0.05m序号填料层压强降mmH)单位高度填料层 压强降 mmHD/m空气转子流量计读3 数m/h空塔气速m/s12.60.0425.10.07310.30.16412.80.20515.40.24678表三实验装置填料塔流体力学性能测定（湿填料）(L=100填料层高度Z=0.78m塔径D=0.05m)序 号填料层压强降 mmHO单位高度填 料层压强降mm